哈嘍大家好，我是咸魚

參加過校招面試的小伙伴們肯定對下面這道面試題很熟悉：“當(dāng)你在瀏覽器輸入一段網(wǎng)址后會發(fā)生什么？”。這道面試題可以說是很經(jīng)典了，因為其涉及大量網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以非常直觀的看出小伙伴們對計算機網(wǎng)絡(luò)體系的整體把握程度

但如果問題換成：“當(dāng)你打開終端并輸入 ls  時會發(fā)生什么？”，有多少小伙伴能夠回答出來呢？

終端的前世今生

大多數(shù)現(xiàn)代終端應(yīng)用程序的工作方式都來自于其歷史前輩——電傳打字機（teletypes，簡稱 tty）

在大型計算機的時代，當(dāng)時數(shù)據(jù)存儲在磁帶上，計算機的內(nèi)存以 kB 為單位，電傳打字機就是為了它們而被設(shè)計出來

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左邊的是 IBM 2741電傳打字機，右邊是 IBM System/360 Mo. 40大型計算機

電傳打字機是允許用戶與計算機交互的基本文本客戶端。teletypes 其實是 teletypewriter的縮寫，因為它是從打字機（typewriters）演變過來的

如上圖所示，電傳打字機和大型計算機通過連接兩端的物理線來進(jìn)行通信。溝通過程如下：

• 當(dāng)用戶從電傳打字機輸入時，ASCII 文本將一個字符一個字符地通過網(wǎng)絡(luò)傳輸
• 計算機的內(nèi)核接收字符并對其進(jìn)行解碼
• 接著字符被送到一個名為 TTY driver 的驅(qū)動程序，這里負(fù)責(zé)將輸入發(fā)送到用戶程序并收集輸出
• 最后，內(nèi)核將輸出發(fā)送回電傳打字機 ，以便顯示給用戶

需要提到的一點是 line discipline（行規(guī)則），它會將字符緩沖到內(nèi)核內(nèi)存中，直到按下 Enter 鍵，程序才會接收到輸入

line discipline 允許這塊緩沖區(qū)是可編輯的，并提供了一些與程序無關(guān)的快捷鍵（例如 ctrl-w）

這在當(dāng)時是一項重要的性能優(yōu)化，因為讓程序員一個字符一個字符的處理是非常低效的

隨著計算技術(shù)的進(jìn)步，這些獨立組件中的許多都實現(xiàn)了現(xiàn)代化。比如說電傳打字機被終端所取代，終端是完全電子的機器，包括電子顯示器 

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DEC 于 1978 年發(fā)布的 VT100 終端機（VT = video terminal），它實現(xiàn)并推廣了至今仍在使用的 ANSI 轉(zhuǎn)義碼

隨著電子終端的誕生，出現(xiàn)了越來越多的功能（例如顏色、鈴聲）。但本質(zhì)上跟電傳打字機完全相同——發(fā)送輸入字符流并顯示輸出

現(xiàn)如今人人都有一臺自己的電腦，這些電腦的操作系統(tǒng)可以監(jiān)督許多應(yīng)用程序，終端不再是專門的硬件，而是變成了這些應(yīng)用程序中的一個

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與典型的 GUI 應(yīng)用程序一樣，終端是操作系統(tǒng)監(jiān)督下的一個進(jìn)程，它監(jiān)聽來自用戶的事件和輸入，并告訴操作系統(tǒng)在窗口中顯示什么（終端不直接與外設(shè)交互，而是通過驅(qū)動程序和窗口管理器）

有時候我們還會聽到 ”終端模擬器“ 這個詞，而不是簡單的稱之為 ”終端“。這是因為 ”終端“ 指的是專門的硬件（終端機），而現(xiàn)在大多數(shù)的終端只是對該設(shè)備的模擬，是一個應(yīng)用程序

但是我們這里不做區(qū)分，下文提到的“終端”等同于“終端模擬器”

那么當(dāng)我們打開終端時會發(fā)生什么呢？

打開終端

上面我們提到過，終端是一個應(yīng)用程序，能夠讓你 ”使用你的電腦“（即在上面運行程序）。我們的電腦上可能已經(jīng)存在了 ls、rm、mv 等程序

但是我們不滿足于使用這些簡單的命令，我們還希望使用腳本來實現(xiàn)自動化， 這些腳本將許多命令的序列組合在一起，使用分支條件邏輯，運行重復(fù)循環(huán)或并行化命令等

為了讓計算機能夠讀懂我們的腳本并執(zhí)行起來，我們需要一個完整的可交互的解釋型的編程環(huán)境——shell

將其他程序作為進(jìn)程運行，讓操作系統(tǒng)內(nèi)核讀懂你寫的腳本，這些工作都由 shell 完成。目前常見的 shell 有 Bash、Zsh 等

終端和 shell 是兩個獨立的程序：

• shell 負(fù)責(zé)解釋你輸入的命令
• 終端負(fù)責(zé) UI 相關(guān)的東西，比如字體、顏色等

簡單來講，當(dāng)我們打開終端時，終端會根據(jù)用戶生成一個 shell 進(jìn)程，以及用戶與 shell 之間，用戶與 shell 啟動的進(jìn)程之間通信的方法

這個 shell 進(jìn)程負(fù)責(zé)解釋和執(zhí)行用戶輸入的命令，并與用戶進(jìn)行交互。用戶在終端輸入的命令將通過這個通信通道傳遞給 shell 進(jìn)程進(jìn)行解釋執(zhí)行，并將執(zhí)行結(jié)果反饋給用戶顯示在終端上

創(chuàng)建 PTY 

偽終端設(shè)備（PTY）是在計算機操作系統(tǒng)中創(chuàng)建的一個虛擬設(shè)備，用于模擬物理終端的功能

在 UNIX、Linux 和類 UNIX 系統(tǒng)中，PTY 用于在用戶和程序之間建立一個通信通道，允許用戶通過終端會話與程序進(jìn)行交互

PTY通常由兩個主要部分組成：主設(shè)備（leader）和從設(shè)備（follower）。leader 端連接到用戶終端，follower 端連接到一個或多個程序 

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當(dāng)用戶打開終端并啟動一個 shell 時，終端模擬器會創(chuàng)建一個 PTY，并將 leader 端連接到用戶界面，同時將 follower 端連接到 shell 或其他命令行程序

用戶輸入的命令通過  leader 端傳輸?shù)?nbsp;follower  端，follower 端執(zhí)行這些命令并將輸出發(fā)送回 leader 端，最終顯示在用戶界面上

在 Unix 中，一切皆文件，這句話指的是 Unix 中的所有東西都有與文件相同的讀/寫接口。

leader 的 fd（文件描述符） 指向內(nèi)存中的一個緩沖區(qū)，而 follower 是一個在磁盤上具有實際路徑的字符設(shè)備文件

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上圖可以看到，我們打開了兩個終端（/dev/pts/0、/dev/pts/1），啟動了兩個 shell 進(jìn)程。如果我們在終端 1（/dev/pts/1）中敲命令并重定向到終端0（/dev/pts/0），可以看到輸出結(jié)果是在終端 0 中顯示的

生成 shell

終端會話在啟動時可能會為 shell 創(chuàng)建一個子進(jìn)程，這個子進(jìn)程將作為 shell 的實例來執(zhí)行用戶的命令

UNIX 和類 UNIX 系統(tǒng)中，終端會話會使用偽終端設(shè)備（PTY）來與 shell 進(jìn)程進(jìn)行通信，通過這種方式，終端會話可以讀取和寫入 shell 的輸入、輸出和錯誤輸出（fd 0到2）

這樣使得用戶在終端輸入的命令可以被 Shell 進(jìn)程解釋執(zhí)行，并且 Shell 進(jìn)程的輸出可以在終端顯示

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shell 初始化

在 Linux 中，用戶打開終端啟動 shell 進(jìn)程時會進(jìn)行 shell 初始化，這個過程涉及一些配置文件和腳本的執(zhí)行，用來設(shè)置用戶的環(huán)境和啟動 shell 的行為

步驟大致如下：

1. 讀取配置文件：在用戶登錄時，shell 會讀取一系列的配置文件來設(shè)置用戶的環(huán)境變量、別名、函數(shù)等。這些配置文件可以包括全局配置文件（例如/etc/profile）和用戶特定的配置文件（例如~/.bash_profile、~/.bashrc等）
2. 執(zhí)行配置命令：配置文件中可以包含各種設(shè)置和命令，例如設(shè)置環(huán)境變量、修改提示符、定義別名和函數(shù)等。這些命令會在 shell 啟動時執(zhí)行，以確保在用戶登錄后設(shè)置了所需的環(huán)境和行為
3. 啟動shell：一旦執(zhí)行了配置文件中的命令，shell 就會準(zhǔn)備就緒，等待用戶的輸入。這時，shell 的提示符會出現(xiàn)，等待用戶輸入命令